Связь, взаимодействие и синхронизация солнечных, климатических, трофических и популяционных циклов:
Цикличность солнечной активности и погодно-климатических факторов

автор:

Солнечная активность, как считают многие исследователи, оказывает влияние на климат, погоду и, соответственно, на растительный и животный мир нашей планеты (Эйгенсон, 1957, 1963; Личков, 1965; Дружинин, Хамьянова, 1969; Покровская, 1971; Дроздов, Григорьева, 1971; Дружинин и др., 1974; Солнечно-атмосферные связи в теории климата и прогнозах погоды, 1974; Витинский и др., 1976; Дроздов, 1980; Резников, 1982; Солнечно-земные связи, погода и климат, 1982; Оль, 1984; Ясаманов, 1991 и др.).

В изменениях земного климата наиболее часто проявляется 22-летний цикл солнечной активности, которая воздействует на нижние слои земной атмосферы не только в региональном, но и в планетарном масштабе (Оль, 1984). Наблюдается также 33 и 80-90-летняя цикличность климатических показателей (Витинский и др., 1976). И.П. Дружинин (1987) на огромном материале показал, что резкие изменения солнечной активности могут считаться ответственными за часть переломов многолетнего хода многих природных процессов на Земле, в том числе планетарного масштаба, климатообразующих факторов, метеорологических элементов и урожайности сельскохозяйственных культур (табл. 1). Приведенные в таблице данные свидетельствуют о том, что частоты переломов в годы солнечных реперов на 8-23% превышают частоты в другие годы, при этом оказались высокими значения статистических критериев «хи-квадрат» (от 7,5 до 154) и соответственно малыми (от 1 до 0,01% и меньше) вероятности случайности различия частот переломов в годы с резкими изменениями солнечной активности в другие годы, что позволяет уверенно (с вероятностью от 99 до 99,9%) утверждать о неслучайности концентрации части переломов многолетнего хода природных процессов в годы солнечных реперов (Дружинин, Хамьянова, 1969).

По методике И.П. Дружинина (1970) нами проведена статистическая обработка данных многолетнего изменения температуры, осадков, продолжительности солнечного сияния и урожайности озимых зерновых колосовых культур в Харьковской области (табл. 3). При этом установлено, что в годы солнечных реперов частоты переломов на 32-77% выше, чем в другие годы, критерии «хи-квадрат» составляют от 6 до 15, а вероятность неслучайности колебаний гелиофизических факторов и урожайности зерновых культур в годы резких изменений солнечной активности — от 0,05 до 5,00%. Следовательно, можно утверждать о солнечной обусловленности этих процессов, что имеет важное методологическое значение для познания динамики популяций.

Таблица №2.
Частоты переломов многолетнего хода природных процессов на Земле и статистические оценки связи переломов с резкими изменениями солнечной активности (Дружинин, 1970)
Наименование процессаОбщее число лет, подвергнутых испытаниюОтносительная частота переломов, %Критерий различия вероятностей переломов «хи-квадрат»Вероятность случайности различия вероятностей переломов, %
в годы солнечных реперовв другие годы
Планетарные736785828,8<0,01
Солнечная радиация (прямая и рассеянная)284866315,8<0,05
Атмосферная циркуляция34488665154,0<0,01
Атмосферное давление2135807024,0<0,01
Температура воздуха52078168101,0<0,01
Атмосферные осадки56708167112,0<0,01
Годичный прирост деревьев104974667,5<1,00
Урожайность с.-х. культур438836221,4<0,01

Давно известно, что климат является одним из главных компонентов географической оболочки Земли. Он играет важную роль в динамике подавляющего большинства физико-географических процессов, а также определяет условия существования всего живого на нашей планете. Климат теснейшим образом связан с погодой и определяется последней. От погоды зависит физическое состояние атмосферы и ее нижнего слоя — тропосферы, тесно связанной с метеорологическими элементами. К их числу относятся температура, влажность воздуха, атмосферные осадки, облачность и др. Совокупность факторов погоды воздействует на человека, животный мир и растения. Погода определяет формирование урожая, годичных побегов, ширину годичного кольца и рост корней (Молчанов, 1976 и др.).

Таблица №3.
Частоты многолетних переломов некоторых гелиогеофизических факторов и урожайности озимых культур в Харьковской области в связи с резкими изменениями солнечной активности (Белецкий, 1985)
Название процессаОбщее число лет, подвергнутых испытаниюОтносительная частота переломов, %Критерий «хи-квадрат»Уровень вероятности, %
В годы солнечных реперовЧерез 1 год после репераВ другие годы
Засуха1157367419,32<1,00
Температура воздуха4776100196,005,00
Атмосферные осадки8110082297,30<2,50
Продолжительность солнечного сияния18100100507,90<2,50
Урожайность:
Озимой пшеницы70821005014,90<0,10
Озимой ржи82100762315,100,05

Обобщенные данные о многолетних изменениях планетарных процессов (космические лучи, геомагнитная активность, вращение Земли), метеорологических факторов (солнечная радиация, продолжительность солнечного сияния, атмосферная циркуляция, температура, осадки, атмосферное давление) и некоторых биологических процессов (прирост деревьев, урожайность сельскохозяйственных культур) показывают, что их переломы определяются не столько солнечной активностью, сколько резкими изменениями ее уровня в одиннадцатилетних циклах (Дружинин и др., 1969, 1974; Белецкий, 1985, 1986, 1988, 1989, 1991).

Самым масштабным проявлением климатических изменений являются засухи. Как комплексное явление они характеризуются экстремальным состоянием метеорологических элементов и, прежде всего, дефицитом увлажнения атмосферной и почвенной среды обитания растительных организмов.

В 1935 г. Е.Е. Слуцкий на многолетних материалах повторяемости жестких засух в России за период 1801-1915 гг. показал приуроченность пиков неурожайности сельскохозяйственных культур к эпохам минимумов солнечной активности (вероятность неслучайности более 99,99%). При этом, как правило, имела место двувершинность кривой урожайности в каждом цикле солнечной активности.

Исследования Ф. Баура (Baur, 1985) — геофизика из ФРГ, также показали, что в Германии наблюдается двойная волна засушливости, а ее вероятность повышается как перед минимумом, так и перед максимумом 11-летних циклов солнечной активности. За 124 года в Германии имели место 23 сильные засухи, из них 11 приходилось на узкие интервалы (1,6-2,4 года перед экстремумами чисел Вольфа.

Ведущий американский метеоролог Робертс (Roberts, 1975 также указывал на связь многолетней повторяемости засух в США с цикличностью солнечной активности; обратив при этом внимание на тот факт, что последние восемь сухих периодов к востоку от Скалистых гор повторялись через 20-22 года, он предположил, что они обусловлены 22-летним циклом активности Солнца. Если эта гипотеза верна, отмечал в 1973 г. Робертс, то в 1974 или 1975 году на Среднем Западе США должен наступить засушливый период. Ученый оказался прав: влажная весна 1974 г. сменилась удивительно засушливым летом. Засуха нанесла сельскому хозяйству Средних и Западных штатов ущерб, исчисляемый несколькими миллиардами долларов.

Обобщение сведений о повторяемости засух и неурожаев в России, выполненное Т.В. Покровской (1969), свидетельствует о связи их с солнечной и магнитной активностью. При этом, как указывает автор, резкие изменения состояния атмосферы происходили и в эпохи минимумов, и в эпохи максимумов солнечных циклов, или имели 5-6-летнюю повторяемость. Вторичные изменения на других участках 11-летней волны солнечной активности приводили к возникновению двух- четырехлетних промежуточных «циклов» неурожайности сельскохозяйственных культур. Т.В. Покровская показала, что за период 1887-1965 гг. засухи на территории европейской части бывшего Союза имели место в годы восходящей ветви 11-летнего цикла геомагнитной активности (9 засух за 46 лет), а засухи, случавшиеся только в Казахстане, — в годы нисходящей ветви (9 засух за 33 года) этой фазы цикла. «Двойные» засухи (их было шесть за 79 лет), имевшие место одновременно на европейской территории и в Казахстане, наблюдались при небольших годовых изменениях Кр-индекса геомагнитной активности. Установив связь засух с геомагнитной активностью, Т.В. Покровская достоверно предсказала «дефицит осадков» в 1972 г. на европейской территории и засуху в Казахстане в 1974 г.

Значительную роль в объяснении многолетних колебаний климата сыграла работа Э. Брикнера (Brukner, 1890), из которой следует, что минимум осадков в течение 900 лет повторяется три раза в столетие и почти в одни и те же десятилетия, а именно между 20 и 30, 60 и 70, а также 90 и 99-ми годами каждого столетия. На основе русских летописей М.А. Боголепов (1921, 1928) обнаружил 33-летнюю цикличность климатических факторов. По его данным, Русская равнина трижды в столетие в течение Ряда лет поражается жесткой засухой, за которой следуют чрезмерные осадки. М.А. Боголепов предполагал, что периодические возмущения климата и солнечные пятна — соэффекты одной причины, находящейся «не только вне Земли, но, вероятно, и вне солнечной системы, а именно «электромагнитной жизни Вселенной» (Чижевский, 1976).

Исследования динамики засух и их распределение по фазам солнечной и магнитной активности предпринимались многими авторами (Байдал, 1964; Покровская, 1969, 1971). В частности, Е.П. Борисенков и В.М. Пасецкий (1983) указывают, что при исследовании истории климата последнего тысячелетия обращает на себя внимание следующая закономерность: в 20-х, 60-х, 70-х и 90-х годах, как правило, имеют место засухи. Особенно повышенная засушливость проявляется через каждые 300 лет и приходится, в основном, на 60-е или 70-е годы.

Краткий обзор литературных данных по проблеме «Солнце — погода — климат» позволяет сделать вывод о том, что изменения уровня солнечной активности приводят к изменениям величин основных метеорологических элементов: температуры, давления, числа гроз, осадков и связанных с ними гидрологических и дендрохронологических изменений. В настоящее время экспериментально подтверждено, что формирование погоды определяется космическими факторами, такими, как солнечные заряженные частицы, солнечный ветер, межпланетное магнитное поле (Мизун, 1986; Ясаманов, 1991 и др.).

С экологической точки зрения важен вопрос о цикличности засух, их связи с динамикой солнечной активности. Дело в том, что засухи, как климатические аномалии, давно считают одной из важных причин массовых размножений многих видов вредных насекомых. Ю.П. Кондаков (1974) предложил формулу интегрального показателя засушливости. Этот показатель характеризует продолжительность засушливого периода и интенсивность засухи в период развития сибирского шелкопряда. Автор указывает на многолетнюю повторяемость засух в Красноярском крае и их связь с 11-летними циклами солнечной активности и массовыми размножениями сибирского шелкопряда. По его мнению, циклический характер многолетней динамики популяций сибирского шелкопряда свидетельствует о прямой причинно-следственной связи «Солнечная активность — атмосферная циркуляция — погода — насекомое», а, вероятнее всего, об их автокорреляции, эволюционно обусловленной и опосредованной через сложную систему биогеоценотических связей.

Среди лесных энтомологов широко распространено мнение, что теплая и сухая погода способствует размножению вредителей, поскольку увеличивает выживаемость насекомых (Гурьянова, 1986). Эта теория подвергалась критике (Воронцов, 1963), однако доказательств обратного мало, и массовые размножения насекомых продолжают объяснять сухой и жаркой погодой.

Феномен многолетних совпадений вспышек массовых размножений вредных насекомых с засухами до настоящего времени остается предметом размышлений. «На фазе засухи в таежных биогеоценозах протекают сложные и малоизученные процессы роста численности и формирования комплексных очагов сибирского шелкопряда и сопутствующих ему видов — лунчатого шелкопряда, хвойной волнянки, углокрылой и дымчатой пядениц» (Исаев и др., 1984. С. 186-187).

По нашему мнению, в данном случае имеет место связь, взаимодействие и синхронизация популяционных, погодно-климатических, трофических и космических циклов. Однако механизм этой связи впервые показали американские экологи.

Американские ученые Мэттсон и Хейк (Mattson, Haack, 1987) также считают, что связь массовых размножений насекомых с предшествующими засушливыми периодами несомненна. Она подтверждается многочисленными примерами для ряда лесных насекомых и пастбищных саранчовых. На основе детального литературного обзора по этой актуальной проблеме, они показали, что длительное воздействие высокой температуры, Дефицита влаги и пищи влияет практически на все процессы, протекающие в растительном организме — на молекулярном (генетические изменения), клеточном (рост и дифференциация) и Функциональном уровнях. У стрессированных засухой растении изменяется спектральный состав отраженного света, уровень и количественное соотношение защитных веществ вторичного обмена, повышается температура и индуцируется акустическая эмиссия тканей.

Мэттсон и Хейк сформулировали представления об основных механизмах положительного воздействия стрессированного растения на поведение и физиологию насекомых. К ним отнесены: оптимизация температурного режима развития фитофагов, увеличение привлекательности и пищевой приемлемости растения, улучшение физиологических условий питания на стрессированных засухой растениях, усиление работы детоксицирующей и иммунной систем вредителей, благоприятность условий существования на стрессированных засухой растениях для симбионтов и неблагоприятность — для естественных врагов. Наконец, они предполагают, что засуха в конечном счете ослабляет не только кормовое растение, но и популяцию вредителя, сводя на нет вспышку массового размножения.

Кроме засухи к стрессовым факторам, воздействующим на растения и (очевидно) на насекомых относятся повышенная интенсивность ультрафиолетового излучения, наблюдавшаяся на возвышенностях и в ясную погоду, более высокая освещенность и недостаток минеральных веществ (Э. Райс, 1986).

Эти данные важны и в теоретическом, и в прикладном аспектах. Они позволяют по-новому подойти к объяснению возможных механизмов влияния на развитие насекомых космических, погодно-климатических и трофических факторов, в частности, температуры воздуха, относительной влажности, продолжительности солнечного сияния, ультрафиолетового излучения в годы «активного» и «спокойного» Солнца, количества и качества пищи (урожайность сельскохозяйственных культур). А если учесть, что перечисленные средовые факторы изменяются во времени циклически, то становится обоснованным вывод о том, что все процессы, протекающие на Солнце, в биосфере, биогеоценозах и слагающих их популяциях, подвержены эволюционным циклическим изменениям, одним из проявлений которых служит цикличность земного климата (Санников, 1982; Мизун, 1986; Ясаманов, 1991).

Климатическая изменчивость вызывает циклическую колеблемость урожайности подавляющего большинства сельскохозяйственных культур.

Признавая цикличность процессов, происходящих в природе, и зная тенденцию их развития, можно заблаговременно прогнозировать исследуемый биологический процесс. Разработка экологических основ многолетнего прогноза — это, по сути дела, поиск цикличности в многолетней динамике популяций насекомых.